FY-4A气象卫星LST L2级产品地面检验

为了检验FY-4A气象卫星陆表温度(land surface temperature,LST)L2级产品数据的精度及可用性,对2019年FY-4A卫星逐分钟全圆盘及中国区反演的LST产品(Ta),与全国区域(除台湾省)3300多个气象观测站观测时间差±120 sec之内的地面温度(Tg)和草面(雪面)温度(Ts)进行标准差对比与相关性分析。结果表明:FY-4A反演的LST产品与地面气象站观测结果一致,产品平均标准偏差为5.64℃和5.30℃,数据平均相关性0.9111和0.9048,能够准确反映我国各地LST的时空分布特征。对于像元(4 km×4 km)内下垫面,反演的LST与地面温度和草面地温的相关性高度一致,(Ta-Tg)与(Ta-Ts)存在显著线性正相关关系,且相关系数稳定。

FY-4A静止气象卫星转发器时延在轨标定

观测数据的系统差是影响卫星定轨精度的主要因素,其中卫星转发器时延由于难以直接在轨测量获取,因此成为FY-4A静止气象卫星观测数据系统差的主要来源之一。针对该问题,首先对原有的FY-4A静止气象卫星转发器时延在轨标定方案进行了介绍并分析,发现该方案由于待估参数过多导致无法获得卫星转发器时延,随后提出了一种新的在轨标定方法,利用动力学精密定轨分析得到FY-4A气象卫星转发器时延与地面校正值差异在2 m左右,结果表明该方法可以有效的反演FY-4A气象卫星转发器时延在轨变化情况。

FY-2C静止气象卫星资料对不透明云云顶气压的反演研究

采用红外窗区通道法尝试对FY-2C静止气象卫星图像上的不透明云的云顶气压进行反演,并结合MODIS反演产品和CloudSat/CPR雷达探测产品对反演结果进行对比分析。结果表明:(1)对于厚实密蔽的云层,不透明云云顶气压的反演结果与MODIS反演结果一致性较好,特别是对于发展较强的对流云和厚实密蔽的多层云,易满足云层比辐射率近似为1的条件,可近似看作黑体;(2)对于单层云和光学厚度不够厚的云层,反演结果更接近辐射中心,尤其是对于锋面云带暖水云上空覆盖卷云的情况,由于FY-2C对于薄卷云的检测不如MODIS细致,导致反演结果与MODIS和CloudSat存在一定偏差。

静止气象卫星测定轨技术发展综述

测定轨系统是静止气象卫星系统的重要组成部分,首先描述了静止气象卫星的特点,随后针对目前各国静止气象卫星的发展历史以及采用的测定轨技术发展状况进行了梳理总结,分析得知,新一代的静止气象卫星测定轨系统已由传统的地基测距逐渐向天基如全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)测定轨等多种新技术发展,最后从跟踪类型等方面对已有的精密测定轨技术进行归纳与分类,提出了适合中国风云静止气象卫星的测定轨技术。

FY-2气象卫星信号的开发利用

详细介绍了基于风云二号静止气象卫星信号实现电离层闪烁监测、云图接收、太空环境参数接收的设备设计、构成。该设备主要用于实时监测分析风云二号卫星信号因电离层变化而造成的幅度闪烁和相位闪烁。由于静止卫星不存在运动所附带的变化,利用其稳定的L波段遥测信号来监测电离层闪烁,优越性显著。风云卫星展宽云图接收设备目前已遍布全国,该设备在其跟踪遥测及云图接收的基础上进行开发,易于组网监测。电离层闪烁监测的结果,将对空间的探测和通讯技术的发展具有重大的意义。

利用FY-4B地球静止气象卫星观测南海北部内孤立波及传播速度

本文利用中国新一代静止轨道气象卫星FY-4B数据开展了南海北部海域内孤立波观测及传播速度研究。首先使用500 m分辨率的全圆盘ARGI数据对FY-4B卫星可观测内波区域进行了讨论,确认了南海北部为研究区域。之后利用250 m分辨率的GHI数据使用多时相图像比较法(Multitemporal Image Comparison Method,MTI)计算了南海北部内孤立波的传播速度,其平均传播速度为1.78 m/s,东部深海区平均传播速度为3.02 m/s,向西传播至东沙群岛附近后平均速度减小至1.90 m/s,经过东沙群岛分裂后南部比北部传播速度更快,分别为2.08 m/s和1.54 m/s;最终在向西传播到近岸区域后内孤立波传播速度减小至0.42 m/s,直至最终消散。将MTI方法与两层模式下扩展KdV方程(extended Korteweg-de Vries,eKdV)计算得到的理论传播速度进行了对比,二者相关系数达到了0.89,证明eKdV理论方程对南海北部内孤立波传播速度反演的可行性,但仍具有一定的局限。最后将实测数据与遥感影像匹配计算内孤立波传播速度的结果与单一遥感影像计算内孤立波传播速度的结果进行了比较,两者相关性达到了0.93。本文验证了静止轨道卫星光学遥感数据的高时间分辨率特点对内孤立波传播速度研究具有的较大优势,对南海北部内孤立波参数反演等研究工作具有一定意义。

FY-4卫星闪电成像仪设计与实现

介绍了我国第一台探测闪电的空间光学遥感仪器——风云四号(FY-4)卫星装载的闪电成像仪的设计与实现。给出了空间光学闪电探测原理。FY-4A星闪电成像仪采用小F数透射光学系统,用双镜头拼接实现大视场覆盖;采用高稳定度超窄带多腔干涉滤光片实现闪电信号滤波,以高速多抽头大光敏元CCD器件为敏感元件获取闪电与背景图像,由实时事件处理器在积分时间内按像元完成焦面数据的多帧背景评估、背景去除、阈值比较和闪电事件编码;采用与闪电事件一致的视场分辨率进行空间滤波,降低云层、陆地和海洋等背景信号对闪电信号的影响。研制的闪电成像仪由闪电成像仪主体、闪电信息处理盒、闪电管理与温控盒和闪电配电盒组成,设计了闪电探测、地标观测和FPGA程序上注三种工作模式。FY-4A星闪电成像仪研制中突破了闪电成像仪分系统总体、超窄带滤光片应用、高帧率CCD器件、实时事件处理器,以及闪电成像仪实验室标定与验证等关键技术。闪电成像仪的指标与国际同类仪器相当。至目前为此在轨测试表明:该闪电成像仪能实现对不同强度闪电事件实时探测,具备对强对流天气过程完整监测和跟踪能力。展望了后续我国闪电成像仪技术的发展和应用需求。

FY-4卫星应用和发展

介绍了我国新一代静止气象卫星风云四号(FY-4)卫星应用及其发展。给出了FY-4卫星装载的先进静止轨道辐射成像仪、静止轨道干涉式红外探测仪、闪电成像仪和空间环境监测仪4种主要观测仪器,以及卫星的观测能力和提供的定量化产品,并与我国现有的业务卫星风云二号(FY-2)卫星和国际同期在轨静止气象卫星性能进行了比较。FY-4光学卫星系列与美国GOES-R、日本Himawari-8/9卫星和欧洲MTG卫星性能相似,属于与国际同期发展的先进静止气象卫星。给出了FY-4A星获得的图像和数据。列出了FY-4A星的基本定量产品,给出了使用的仪器、数据特性、物理意义,以及应用领域、方法和范例。描述FY-4卫星提供的定量化产品及其在数值天气预报、气候、生态环境、专业气象服务、人工影响天气、空间天气监测预警等领域的应用,并介绍了FY-4A星在轨测试期间的部分应用。对FY-4后续业务卫星发展进行了展望。

气象卫星最小的“千里眼”是怎样炼成的?——风云四号A星多通道扫描成像辐射计红外探测器芯片研制回顾

风云四号(FY-4)是中国新一代静止轨道(GEO)定量遥感气象卫星。多通道扫描成像辐射计作为FY-4上的主要载荷之一,被赞誉为风云四号的"千里眼"。它是迄今为止中国静止轨道卫星最先进的扫描辐射计,这与多通道扫描成像辐射计的核心部件——红外探测器研制水平的大幅提升是密不可分的。与现在正在运行的风云二号(FY-2)相比,风云四号的红外探测器实现了跨越式的发展:红外通道的数量从4个增加到了8个;探测器的波长已经延伸到了13.8μm;芯片的光敏元数量更是从单元发展到多元线列;每个光敏元尺寸只有56μm×56μm,是迄今为止中国研制的气象卫星中红外探测器光敏元尺寸最小的。这使得风云四号扫描成像辐射计红外探测器的研制遇到了许多前所未有的问题和困难,比如中短波光伏(PV)探测器的光敏面限制问题、水汽光导(PC)探测器的有效视场偏窄问题和长波光导探测器的高性能、高要求问题。本文介绍了中国气象卫星中最小的"千里眼"——风云四号多通道扫描成像辐射计碲镉汞红外探测器芯片的研制过程和关键技术。

风云四号气象卫星及其应用展望

介绍了我国第二代地球静止轨道风云四号(FY-4)气象卫星的构型、有效载荷与平台分系统组成、主要任务、主要功能和性能指标,以及与欧美第三代气象卫星的对标情况。阐述了FY-4卫星各主要观测要素的测量和数据获取原理。研制的FY-4卫星的主要技术特点是高精度、定量化、星上处理算法和控制方案在轨可维护(编程改变)、星务自主管理,设计中采用了高精度转角测量及扫描控制、高精度定标、微振动抑制、平台-载荷统一基准及在轨测量、星上实时补偿的图像导航配准,以及高精度卫星质心测量与控制等创新技术。列出了FY-4卫星可提供的云检测等34种数据产品。FY-4卫星的研究成果将显著提升我国后续定量遥感卫星的研制水平,其成功发射和在轨应用将为我国和国际气象组织的数字天气预报做出贡献。

基于Matlab的FY-4星载扫描辐射计午夜太阳入侵模拟

用Matlab软件建立了动态仿真模型,以分析太阳午夜入侵对风云四号(FY-4)地球静止气象卫星扫描辐射计的影响。给出了仿真算法的流程,介绍算法中太阳光线方向、受照面转换和主镜反射特性计算等难点,并说明为提高效率采用的近似简化和优化处理。计算结果与文献中GOES卫星的实测数据相近,表明该仿真模型可较准确地模拟午夜太阳入侵,所获数据准确。

FY-4大气垂直探测仪扫描镜的太阳入侵研究

针对FY-4三轴稳定静止卫星上遥感器的夜间太阳入侵问题,建立了星上遥感器的太阳辐照模型,由此计算了星上任意面元的太阳入射角系数和太阳辐射.针对其上的大气垂直探测仪结合遮光罩实际设计参数,分析了扫描镜的每日太阳入射角系数、太阳辐射、太阳入侵的时刻、入侵持续时间以及接受的太阳辐照的年变化曲线,并与GOES-8(地球静止轨道环境卫星8号)实测数据作比较,验证了计算的合理性和正确性.

FY-4A地表温度产品质量评估与偏差订正方法研究

气候变化研究需要长时间序列、稳定的、均一化的地表温度(LST)气候数据集支持。气候变化实时监测对数据集的要求则更高,还需要LST气候数据集实时的更新和快速便捷的获取,而国际上公开的实时更新的LST气候数据集则较少。本研究以国外长时间序列MODIS LST历史数据集为参照,对我国易于获取的FY-4A LST实时数据进行质量评估,在此基础上研发随机森林偏差订正算法,将FY-4A LST数据实时订正到MODIS LST质量水平上,从而研发融合静止气象卫星FY-4A和极轨卫星AQUA/MODIS的LST气候数据集。对偏差订正后的2022年1、4、7和10月共4个月产品检验评估的结果表明:从4个月份偏差的平均值来看,订正后的LST平均偏差由-1.98℃降低到-0.42℃,平均绝对偏差由4.02℃降到2.84℃,均方根误差由5.13℃降到3.91℃,相关系数由0.86提升到0.90。随机森林回归偏差订正算法能够有效减小FY-4A LST与MODIS LST的偏差,订正后的FY-4A LST数据在全国范围不同区域和不同时段与MODIS LST均具有较好的一致性。对中国区域高温过程监测评估发现:订正后的FY4A LST与MODIS LST在全国大部分地区平均偏差较小,仅在海拔较高和地形相对复杂的山区存在较大偏差;偏差订正后2类卫星逐日平均偏差减小到-1℃左右,平均偏差较订正前显著减小。因此本文研发的融合FY-4A和MODIS的LST气候数据集可以很好支撑我国的气候变化研究和气候业务服务工作。

静止气象卫星轨道运动的成像补偿研究

为进一步提高观测频次和信噪比,近年来各国新一代静止气象卫星均采用三轴稳定工作模式对地扫描成像。为了精确提取遥感目标物所在地点关于地表、云和大气状态的定量参数产品,必须要解决图像配准和定位问题。轨道漂移运动引起卫星视轴在地球表面上移动,导致连续图像之间产生相对位移,影响云图动画的图像配准精度。以2016年12月发射的中国风云四号卫星成像仪为研究对象,给出了图像参考基准的严密定义,研究了一种轨道运动补偿OMC(Orbit Motion Compensation)方法。通过给成像仪2维扫描机构增加转角补偿的方法在卫星上实时引导视线扫描路径,卫星相当于在理想轨道位置的视角成像。得到的遥感图像均被配准到地球固定网格FG(Fixed Grid),保持相对固定的几何定位关系。由于这种在卫星上完成的补偿剥离了L0级图像数据与卫星轨道测量信息之间的关系,从根源上保证了原始图像的长周期定位稳定性。为证明方法的正确性,利用风云四号卫星在轨测试的遥感图像L0级数据进行了试验验证。结果表明,云图动画中南北方向相对运动距离由973.0μrad缩小至75.6μrad,东西方向由205.8μrad缩小至81.2μrad。星上轨道运动补偿有效削弱了周期性轨道运动对图像定位与配准的干扰,显著提升图像配准精度。针对未来带有长线阵的新型静止卫星成像仪发展趋势,分析了进行星上轨道运动补偿时引起的长线阵探测器边缘像元误差问题,提出了采用电推进系统对卫星轨道倾角进行高精度保持控制来降低边缘误差的解决方案。

基于地球静止气象卫星的地表参数遥感研究进展

地表参数定量遥感反演是遥感科学研究的重要环节。21世纪以来,地球静止气象卫星数据在地表参数遥感反演中受到越来越多的重视。本文对利用地球静止气象卫星进行地表参数遥感反演研究的进展进行了综述。文章首先简单介绍了当前正在运行的欧盟Meteosat、美国GOES-R、日本葵花和中国风云静止卫星系统,随后详细总结了不同卫星系统估算各种地表参数的方法。在此基础上,文章对进一步利用静止卫星估算地表参数的研究展开讨论,指出未来的研究应重点关注几个方面:(1)探索和运用新技术提高静止卫星数据获取和处理的效率和精度;(2)融合全球多颗静止气象卫星,同时与极轨卫星融合,生产覆盖全球的长时序地表参数产品;(3)探索地表参数的高效获取方法,对静止气象卫星地表参数产品开展真实性检验,满足地表过程研究和资源环境动态监测对高质量地表参数产品的需求。

基于卫星资料的我国沙尘天气监测方法

根据沙尘粒子的辐射传输特性和空间分布特征,利用气象卫星资料能够有效监测沙尘天气发生的时间、范围和强度等,并可计算出相关的定量信息。监测方法一般包括基于卫星波段特征的监测方法和基于卫星云图目视解译的监测方法。利用卫星监测分析与遥感应用系统(Satellite Monitoring Analysis Remote-sensing Toolkit,SMART)的沙尘监测模块可以对沙尘监测结果进行年度统计。统计数据显示,沙尘天气高发区域有三个,即新疆地区,内蒙古西部、河西走廊地区,以及内蒙古中东部、东北、华北地区;2007年、2010年、2012年和2015年的卫星监测沙尘累计覆盖面积较大,达到500万平方公里以上。新一代静止气象卫星——FY--4A卫星在沙尘监测方面突显出了巨大潜力,这将有利于沙尘天气的云图目视解译。

北京地区3次对流下山增强过程的云参数特征

利用FY-4A资料,识别北京地区3次对流下山加强过程(2021年7月1日、2022年6月12日和2022年8月4日)的中尺度对流系统(mesoscale convective system,MCS),结合京津冀自动气象站降水资料、中国气象局北京快速更新循环数值预报系统(CMA-BJ)产品分析MCS云特征以指示MCS的形成、成熟阶段和演变特征。结果表明:形成阶段MCS面积增长缓慢,红外亮温梯度大,亮温值快速下降,最低值小于-65℃;成熟阶段MCS面积迅速增大,面积最大时地面短时强降水站数最多,但变温区面积、降温幅度和亮温梯度均小于形成阶段。水汽与红外亮温差(简称亮温差)可表示对流云发展强度,亮温差随时间变化呈缓慢波动增长-快速增长-稳定维持的特征,指示MCS不同发展阶段。MCS形成阶段后期,云顶高度升高,红外亮温和水汽亮温下降,亮温差接近于0℃;MCS成熟阶段,云顶高度、红外亮温和水汽亮温均达到极值,高空出流明显,云团面积增至最大。以上特征可揭示北京地区对流下山过程中MCS的发展阶段,为判断MCS强度变化和地面强降雨、大风落区提供参考。

FY-2E扫描辐射计“清零”后图像发生偏移现象浅析

FY-2E卫星于2008年12月23日成功发射,2009年5月19日在轨交付,至11月23日漂移定点于105°E。自交付业务运行至今,FY-2E卫星共经历了三次太阳直射保护过程。其中在2010年4月22日与2010年8月31日,FY-2E卫星太阳直射保护结束",清零"后出现图像相对网格发生偏移现象。本文就这一异常情况做了简单描述与初步分析,希望可以对今后FY-2系列静止卫星的业务运行保障提供参考和依据。

地球同步轨道系列卫星自主空间辐射环境监测及应用

对地球同步轨道空间辐射环境监测及应用进行了研究。给出了持续开展的国外GOES系列卫星和国内FY-2系列卫星的地球同步轨道空间粒子辐射探测介绍,以及AE8和AP8、AE9和AP9、POLE、FLUMIC等用于地球同步轨道带电粒子辐射环境评估的经验模型发展。我国自主高能带电粒子辐射监测自20世纪90年代中后期开始,FY-2系列卫星上的带电粒子探测仪器经过了两代卫星的技术巩固和第三代卫星的创新发展,实现了更精细的能道划分并拓宽了对带电粒子辐射能谱的探测。介绍了用FY-2系列卫星获得的不同扰动状态下高能电子能谱特性,兆电子伏特级高能电子快速、缓慢增强事件,以及与GOES-13,15卫星联合应用分析高能电子不同地方时动态与太阳质子事件动态演化结果。用FY-2系列卫星获得的观测数据能准确、灵敏反映轨道空间高能带电粒子的动态变化;与GOES系列卫星的同期观测结果比较既反映出相对平静时的趋于一致性,又反映了强扰动下的显著短时局地差异,这为开展该轨道粒子辐射实测数据多星联合分析,发展磁层对扰动响应更全面、更复杂的图像,为带电粒子起源、重新分布、损失机制等深入研究提供了可能。在最新的第一代静止气象卫星FY-4卫星上,带电粒子探测仪器兼顾了能谱和方向的设计,既具备FY-2系列卫星平台高能电子、质子全能谱的探测,又增加了高能电子的多方向探测。目前除GOES系列卫星以外,仅有我国地球同步轨道系列卫星可提供持续的轨道空间粒子辐射环境长期实测记录,数据的长时间积累和信息丰富将促进地球同步轨道空间粒子辐射经验模型向更精细化的方向发展,并推动我国空间粒子辐射环境理论和自主建模研究,更好地服务于我国空间天气监测预警业务。

IR4通道反照率计算及其在降水过程分析中的应用

在推导IR4通道反照率反演公式的基础上,将IR4通道亮温及其反照率计算结果用于北京地区夏季降水过程的个例分析。结果表明:IR4通道反照率在降水形成前会出现明显的先升后降的现象,对降水的反馈早于红外长波(IR1)和水汽(WV)通道;在强降水后的弱回波阶段,IR1和WV通道亮温会继续下降,极值位置延迟于雷达最强回波位置,而IR4通道亮温和反照率这一阶段的变化趋势与以上2个通道相反。